长江口饱和软黏土多静力因子耦合响应规律

2020-03-20周念清李丹尹家春唐益群

华北水利水电大学学报(自然科学版) 2020年1期

周念清，李丹，尹家春，唐益群

(1.同济大学水利工程系，上海 200092； 2.上海交通建设总承包有限公司，上海 200136； 3.同济大学地下建筑与工程系，上海 200092)

沿海地区软黏土广泛分布，在进行工程建设时，需要对其工程力学特性进行相关试验研究，采用室内三轴试验是最常用的手段之一。土体的应力、应变和强度与预压静荷载、加荷速率、排水条件等试验因素相关。在动荷载的拟静力分析中，经常会涉及到初始剪应力对循环动力特性的影响。LEFEBVRE G等[1]、PILLAI R J等[2]和HOSSEINI S M R等[3]都通过软黏土循环三轴试验，得到了随着初始剪应力的增大，其不排水循环软黏土总强度及剪切模量也会增大的结论。WANG J等[4]进行软黏土循环三轴试验，发现预固结压力小于循环荷载时，会出现高速率刚度衰减和应变软化现象。黄茂松等[5]、王元战等[6]通过大量试验，研究了动循环作用下初始静应力对动强度与累积应变的影响。

加载速率对饱和软黏土不排水静力特性也具有重要影响。SHEAHAN T C等[7]基于软黏土不排水蠕变试验进行了速率效应的研究。DINESH R K等[8]建立了不同超固结比情况下，与速率相关的土体抗剪强度及峰值孔隙水压力表达式。YIN Z Y等[9]探究了加载速率影响下长期屈服应力及强度的变化规律，并对黏弹性模型进行了修正。GRAHAM J等[10]研究了不同加载速率原状软黏土不排水的强度，得到了通过缓慢加载可提高刚度，产生拟预压应力的结论。ZHANG D M等[11]通过对有机软黏土的三轴试验，得到应变速率增加10倍时，不排水抗压强度增加9.7%、抗拉强度增加7.2%的结论。KARIM M R等[12]对加载速率影响下黏弹性模型不同本构形式的优缺点进行了探讨。LI J等[13]基于超应力理论和修正剑桥模型建立了蠕变效应的三维应力状态的太沙基模型。对其他影响抗剪强度因素的研究，如主应力对超固结土强度的影响(PRASHANT A等[14]，李国维等[15])，干湿循环作用(杨和平等[16])及温度(谢云等[17])对膨胀土抗剪强度的影响，不同含水率对高低液塑限红黏土强度的影响(董金玉等[18])等也取得了较多成果。

在海相软黏土上建造大型堤坝，施工期间不同施工要素对软黏土地基不排水静力特性存在一定影响。为研究预压堆载、施工速率、竖向排水板等对海相饱和软黏土的作用模式，本文以长兴岛潜堤后方滩涂圈围工程为背景，进行了大量静三轴试验，探讨在多静力因子耦合状态下软黏土强度及孔隙水压力的响应规律。

1 试验方案

1.1 试验土样

试验土样取自长兴岛潜堤后方滩涂圈围工程下方地基13.5～15.0 m处的原状海相软黏土，通过试验得到土样的基本物理力学参数见表1。为保证土样性质的一致性，不同钻孔土样均取自同一土层。

表1 软黏土基本物理力学参数表

1.2 试验仪器

试验采用英国GDS公司生产的高精度静三轴仪，由压力室、静力控制及计算机控制系统组成，可以进行应力、应变、孔隙水压力监测。其技术参数为：围压0.0～1.2 MPa,压力量测控制精度1 kPa，体积量测控制精度1 mm3。

1.3 试验方案及试验内容

将薄壁取土器内土样制作成高80 mm,直径为39.1 mm的圆柱体试样进行三轴试验。首先，在三轴压力室内进行反压饱和,使饱和度大于0.97。然后，在排水条件下进行等向固结，固结时间大于24 h，应变变化率小于0.1%，则固结完成。随后以1 kPa/min的速率对试样施加轴向静偏荷载，进行不等向固结，然后进行三轴不排水压缩试验。

考虑静偏应力影响的试验有两种方式：一是在完全排水条件下施加静偏应力，在不排水剪切前静偏应力完全转化为有效应力，相当于软黏土在静偏应力作用下完全固结；二是在完全不排水条件下施加静偏应力，进行不排水剪切试验。在实际工程中，虽然进行堆载预压加竖向排水板进行地基处理，但实际情况仍介于两种排水条件之间。为使问题简化，按照完全排水的试验条件进行不等向固结。

2 试验结果与分析

2.1 预压静荷载下软黏土不排水剪切响应规律

采用堆载预压配合竖向排水通道的方法对地基土进行处理，以提高软土地基的承载能力，堆载预压作用可量化三轴试验中静偏应力的施加。

图时不排水压缩试验关系曲线

由图1还可以看出：当不施加预压静荷载时，其应力-应变曲线呈现硬化趋势；而施加预压静荷载后，曲线逐渐趋向软化，且随着静荷载值的增大，曲线软化程度越大，同时曲线出现峰值点的时刻会延迟。图1(c)显示：随着预压静偏应力的增大，软黏土孔压值降低；没有预压时，孔压峰值为65.06 kPa，当预压荷载为80 kPa时，孔压峰值降低为28.40 kPa，为没有预压时的43.65%。这是因为存在预压静荷载时，孔隙水在固结阶段排出一部分，因此孔隙水压力会降低。图1(d)显示：预压静荷载越大，应力-应变曲线的初始剪切模量越小；随着应变增大，剪切模量减小并趋于稳定值。

由图2可知：不施加预压静荷载的情况下，软黏土抗剪强度为111.5 kPa；当预压静荷载为80 kPa时，土体抗剪强度降低为72.8 kPa,抗剪强度损失34.6%,但总强度提高37%；提高剪切速率后，软土的静强度及孔压有相似规律。

图时不排水压缩试验关系曲线

由此表明，在施工前进行预压堆载地基处理，可加快地基固结速度，同时受到初始静荷载作用，软黏土抗剪强度有所降低；但由于预压荷载是施工竖向荷载的一部分，所以预压堆载作用可以提高土体总强度，使得在地基处理后土体安全稳定性有所提高。当存在预压静荷载时，土体孔隙水排水更多，因此土体更加密实，致使总强度增大。

2.2 不同加荷速率软黏土不排水剪切响应规律

为研究加荷速率对地基软土静力特性的影响，

由图4可知：无论是各向同性还是各向异性的固结土体，随着加荷速率的增大，土样孔压明显降低。主要是因为较高加荷速率下孔隙水压力来不及上升，且加荷速率越高，孔隙水压力测量滞后性越明显。

图3 不同剪切速率下软黏土应力-应变曲线

图4 不同剪切速率下软黏土超孔压-应变关系曲线

2.3 不同排水条件下软黏土强度的响应规律

施工时，采用塑料排水板配合分级加载固结的方法，可加快堤基土排水速率，延长固结时间，提高施工期堤基软黏土的土力学指标。通过静三轴试验改变排水条件，研究地基处理后软黏土强度指标的变化。

在围压分别为50、100、150 kPa的情况下，固结度均保证在95%以上，固结不排水情况下，剪切速率为0.08%/min；固结排水情况下，剪切速率为0.0125%/min。当围压为100 kPa时，固结不排水与固结排水试验的应力-应变曲线如图5所示，图6给出了不同围压情况下固结不排水与固结排水的剪切强度的峰值比较图。

由图5可知，排水剪切强度明显高于不排水剪切峰值强度，但是峰值点出现较慢。由图6可知，在围压为50 kPa时，剪切强度峰值提高了43.8%；围压为100 kPa时，剪切强度峰值提高了47.8%；围压为150 kPa时，剪切强度峰值提高了59.3%；随着围压的增大，剪切强度峰值提高程度降低。